(57)【要約】【課題】段差部進入及び障害物の回避を良好に行うことができるようにする。【解決手段】ベース３００に独立した車輪３０１、３０２が設けられると共に、ジャイロセンサ、３次元加速度センサ及び圧力センサを組込んだセンサモジュール３０３が装備される。そしてセンサモジュール３０３の出力に応じてモータ３０４が制御され、車輪３０１、３０２が駆動される。また、ベース３００には操作レバー３０５と、車両本体を牽引するための牽引アーム３０６が設けられている。そしてベース３００には、２台の小型カメラ３０７、３０８を実装して路面の状況を測定し、その状況に応じて本体の姿勢を変化させ、障害物との衝突を回避する。さらにベース３００には、補助車輪３０９と、そのアクチュエータ３１０が設けられ、減速若しくは停止時に駆動される。さらにベース３００には、ＬＥＤ、ブザー等の表示装置３１１が設けられる。【選択図】図１
2007124866.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の車輪を独立に駆動する手段と、前記複数の車輪を連結する筐体とを有し、前記筐体には自身の姿勢角度を検出する手段が設けられて、前記検出された姿勢角度の情報に従って前記複数の車輪の回転数をそれぞれ設定して走行を行う走行装置であって、
前記筐体の前方及び／または後方を看視する看視装置を装備し、
前記看視装置からの画像信号を解析して、その解析結果に応じて前記複数の車輪をそれぞれ独立に駆動して前記筐体自身の姿勢角度の制御を行う制御手段を設ける
ことを特徴とする走行装置。
【請求項２】
前記制御手段は、走行しながら前記看視装置からの画像信号をリアルタイムに取り込み段差を認識して進入回避する制御を行う
ことを特徴とする請求項１記載の走行装置。
【請求項３】
前記制御手段は、走行しながら前記看視装置からの画像信号をリアルタイムに取り込み段差を認識して車体を減速および旋回させ段差の乗り降りによる衝撃を緩和する制御を行う
ことを特徴とする請求項１記載の走行装置。
【請求項４】
前記制御手段は、走行しながら前記看視装置からの画像信号をリアルタイムに取り込み障害物を認識して衝突回避し、衝突による衝撃を回避する制御を行う
ことを特徴とする請求項１記載の走行装置。
【請求項５】
前記制御手段は、走行しながら前記看視装置からの画像信号をリアルタイムに取り込み路面傾斜角度を認識して進入回避する制御を行う
ことを特徴とする請求項１記載の走行装置。
【請求項６】
前記制御手段は、平行二輪の車両を減速または停止させる際、補助車輪を路面に接地させる機構の制御を行う
ことを特徴とする請求項１記載の走行装置。
【請求項７】
前記制御手段は、前記補助車輪を路面に押し付けた反力により平行二輪の車両を傾斜させ、車体を減速、停止させる機構の制御を行う
ことを特徴とする請求項６記載の走行装置。
【請求項８】
前記制御手段は、平行二輪の車両に設置した可動ステップを車体に対して傾斜させることにより搭乗者の重心位置を移動させ、車体を減速、停止させる機構の制御を行う
ことを特徴とする請求項１記載の走行装置。
【請求項９】
前記制御手段は、予め設定された危険の察知される路面環境と車体との間の距離及び車体の速度から危険回避の緊急度を算出し、搭乗者への警告表示を行う制御を行う
ことを特徴とする請求項１記載の走行装置。
【請求項１０】
前記制御手段は、予め設定された危険の察知される路面環境と車体との間の距離及び車体の速度から危険回避の緊急度を算出し、緊急度が低い場合には搭乗者への警告表示を実行し、緊急度が高い場合には自動制御による停止、減速、旋回動作を実行する制御を行う
ことを特徴とする請求項１記載の走行装置。
【請求項１１】
複数の車輪を独立に駆動する手段と、前記複数の車輪を連結する筐体とを有し、前記筐体には自身の姿勢角度を検出する手段が設けられて、前記検出された姿勢角度の情報に従って前記複数の車輪の回転数をそれぞれ設定して走行を行う走行装置の制御方法であって、
前記筐体の前方及び／または後方を看視する看視装置を装備し、
前記看視装置からの画像信号を解析して、その解析結果に応じて前記複数の車輪をそれぞれ独立に駆動して前記筐体自身の姿勢角度の制御を行う
ことを特徴とする走行装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば人間を搭乗させて二輪で走行する乗り物に使用して好適な走行装置及びその制御方法に関する。詳しくは、筐体の前方及び／または後方に装備した看視装置により筐体の前方及び／または後方の路面状態を判断し、段差部への乗り入れや障害物の回避に際して良好な制御を行うことができるようにしたものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば人間を搭乗させて二輪で走行する乗り物が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６２８８５０５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば、人間を搭乗させて二輪で走行する乗り物として、本願出願人は先に以下に述べるような走行装置を提案（特開２００５−６４３５号公報参照）した。
【０００５】
先ず、本願出願人が提案した同軸二輪車の一実施形態の外観斜視図を図２６に示す。図２６に示す同軸二輪車１において、車輪軸２の両端には一対の車輪３（右車輪３Ｒ及び左車輪３Ｌ）が止着されている。この車輪３は、柔軟な特性を有するゴム材で形成されており、その内部には空気や窒素ガス等が充填される。このガス圧を調整して車輪３の柔軟性を調整することにより、機体の振動を吸収し、路面の凹凸による振動や段差による衝撃を低減することができる。
【０００６】
また、車輪軸２には、例えば人間が立ち姿勢で搭乗するための板状体の下に後述する制御装置等が格納される略直方体形状の筐体が接合されたベース４が、車輪軸２回りに傾動可能に支持されている。なお、以下の説明においては、両輪を結ぶ車輪軸２の中間点をＸ−Ｙ−Ｚ座標系の原点Ｏと仮定し、この原点Ｏを通りベース４の主面と平行で且つ車輪軸２に垂直な方向をＸ軸又はロール軸、原点Ｏを通る車輪軸方向をＹ軸又はピッチ軸、原点Ｏを通りベース４の主面と垂直な方向をＺ軸又はヨー軸と定義する。また、同軸二輪車１の前方をＸ軸の正方向、左方をＹ軸の正方向、上方をＺ軸の正方向とそれぞれ定義する。
【０００７】
ベース４には、図２７に示すように、正逆回転可能なモータ１０（１０Ｒ及び１０Ｌ）が装着されており、モータ１０に隣接して、モータ１０の回転位置を検出するためのロータリエンコーダ１１（１１Ｒ及び１１Ｌ）が設けられている。また、モータ１０と車輪３との間には、歯車又はタイミングベルトによる減速器１２（１２Ｒ及び１２Ｌ）が介在されており、モータ１０の回転がこの減速器１２及びジョイント（図示せず）を介して車輪３に伝達される。
【０００８】
さらに、ベース４には、ベース４のピッチ軸、ヨー軸回りの角速度ωｐ、ωyawを検出するためのジャイロセンサ１３のほか、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向のリニア加速度Ａｘ、Ａｙ、Ａｚ及びピッチ軸、ロール軸、ヨー軸回りの角加速度αｐ、αｒ、αyawを検出するための加速度センサ１４や、ベース４上の負荷重量を検出するための圧力センサ１５等の各種センサが内蔵されている。
【０００９】
このうち、圧力センサ１５は、図２８のＡの平面図及び図２８のＢの側面図に示すようにベース４の板状体を構成する支持台４ａと可動台４ｂとの間の四隅に設けられており、この４つの圧力センサ１５１、１５２、１５３、１５４のセンサ信号から、ベース４上の負荷の重心座標（Ｘｇ、Ｙｇ）とその負荷重量Ｗｇとを検出することができる。
【００１０】
すなわち、圧力センサ１５１〜１５４のセンサ信号がそれぞれＰＳ１、ＰＳ２、ＰＳ３、ＰＳ４であり、無荷重状態で圧力センサ１５１〜１５４にかかる自重がＷ０である場合、負荷重量Ｗｇは、以下の式（１）のように求められる。
【００１１】
【数１】
2007124866.tif 000003
【００１２】
また、圧力センサ１５１、１５２、１５３、１５４の座標が、それぞれ（Ｘｐｓ，Ｙｐｓ）、（−Ｘｐｓ，Ｙｐｓ）、（―Ｘｐｓ，―Ｙｐｓ）、（Ｘｐｓ，―Ｙｐｓ）である場合に、重心座標（Ｘｇ，Ｙｇ）は、以下の式（２）のように求められる。
【００１３】
【数２】
2007124866.tif 000004
【００１４】
この式（２）において、Ｗ１４は無荷重状態で圧力センサ１５１、１５４にかかる自重を示し、Ｗ２３は無荷重状態で圧力センサ１５２、１５３にかかる自重を示し、Ｗ１２は無荷重状態で圧力センサ１５１、１５２にかかる自重を示し、Ｗ３４は無荷重状態で圧力センサ１５３、１５４にかかる自重を示す。
【００１５】
このようにして、圧力センサ１５によりベース４上の負荷による負荷荷重トルクＴ１が計算できるため、モータ１０にその反作用のモーメントを与えることにより、ベース４上でバランスを保ち、姿勢を安定化することが可能となる。
【００１６】
さらにまた、ベース４の下部筐体には、マイクロコンピュータからなる制御装置１６が搭載されており、この制御装置１６に各種センサ信号、検出信号が入力される。制御装置１６は、これらの入力信号に基づいて、後述するようにベース４のピッチ軸角度、ヨー軸角度を適切な値に保ちながら、機体を前進・後退・旋回させるモータトルクを発生するように制御する。
【００１７】
また、この同軸二輪車１は、図２９に示すように、車輪軸２回りに傾動可能とされるベース４の重量中心Ｍが車輪軸２よりも下方に位置するように構成されている。これにより、停止時にも機体の重心位置が最も安定な位置に保たれ、転倒しにくくなる。なお、この図２９ではベース４の上面の高さが車輪軸２よりも高くなっているが、ベース４の上面が車輪軸２より低くなっていても構わない。
【００１８】
ここで、ベース４上で姿勢を保つための制御概念について説明する。図３０に示すように、ベース４上の負荷、例えば人間の体重による負荷荷重トルクＴ１に対して、同じモーメントを発生するようにモータトルクＴｍを制御すると、ベース４はシーソーのように支点を中心にバランスを保つ。このバランスを保つ支点に相当する点、すなわち車輪軸２回りの回転モーメントがゼロとなる点をＺＭＰ（Zero Moment Point）と呼ぶ。このＺＭＰが車輪３の路面との接地点に一致するとき、或いは路面との接地面内にあるとき、バランスが保たれてベース４上で姿勢を保つことができる。
【００１９】
この同軸二輪車１に体重Ｗｈの人間が搭乗した場合、図３１に示すように、人間の傾き角θに応じてベース４の重量中心Ｍが車輪軸２を中心に傾く。このとき、車輪軸２がバランスをとるための車輪軸トルクＴ０は以下の式（３）で表され、姿勢を保つためのモータトルクＴｍは減速器１２の減速比をＮ：１としてＴ０／Ｎで表される。
【００２０】
【数３】
2007124866.tif 000005
【００２１】
このようにして、上述の同軸二輪車１では、上述の如くベース４の重量中心Ｍが車輪軸２よりも下方に位置するように構成されているため、式（３）のように、人間の体重Ｗｈによるモーメントとベース４の重量Ｗｍによるモーメントとの差分を車輪軸トルクＴ０として加えるのみでよく、比較的小さいモータトルクでバランスを保つことができる。
【００２２】
さらに、ベース４上で姿勢を保つための力学モデルについて、図３２に示すＸ−Ｚ座標系を用いて詳細に説明する。ここで図３２では簡単のため、車輪３は１つであるものとして説明する。また、車輪３、ベース４、及びベース４上の人間をそれぞれリンクとみなし、その重心位置座標をそれぞれ（ｘ０，ｚ０）、（ｘ１，ｚ１）、（ｘ２，ｚ２）とする。さらに、各リンクの質量をそれぞれｍ０、ｍ１、ｍ２とし、慣性モーメントをＩ０、Ｉ１、Ｉ２とする。
【００２３】
定義した点Ω（σ，φ）回りの第ｉリンク（ｉ＝０，１，２）の各運動量は、重心位置座標を（ｘｉ，ｚｉ）とすると、以下の式（４）で表される。ここで、式（４）においてｘ、ｚの上に付されている１つの点は、ｘ、ｚの１階微分であることを示している。
【００２４】
【数４】
2007124866.tif 000006
【００２５】
したがって、全リンクの慣性力によるモーメントは、以下の式（５）で表される。ここで、式（５）においてｘ、ｚの上に付されている２つの点は、ｘ、ｚの２階微分であることを示している。また、全リンクの重力によるモーメントは、重力加速度をｇとして以下の式（６）で表される。
【００２６】
【数５】
2007124866.tif 000007
【００２７】
この慣性力によるモーメントと重力によるモーメントとの和により、式（７）に示すように、点Ω（σ，φ）回りのモーメントＭΩが与えられる。
【００２８】
【数６】
2007124866.tif 000008
【００２９】
質量ｍ０である車輪３の重力によるモーメントを除けば、点Ω（σ，φ）を原点にとることで、上述のモーメントＭΩは車輪軸２回りのモーメントＭａとなる。この車輪軸２回りのモーメントＭａは、以下の式（８）で表される。
【００３０】
【数７】
2007124866.tif 000009
【００３１】
このモーメントＭａを用いて上述のモーメントＭΩを表せば、ｘ０＝０であるとき、すなわち車輪３の重心位置が車輪軸２上にあるとき、以下の式（９）で与えられる。
【００３２】
【数８】
2007124866.tif 000010
【００３３】
ここで、ＺＭＰはモーメントＭΩが０である床面上の点と定義される。そこで、車輪軸２の高さをｈ、ＺＭＰの座標を（σzmp，−ｈ）として式（７）に代入すると、以下の式（１０）のようになる。この式（１０）をσzmpについて解くことで、ＺＭＰをリンク位置、加速度及び質量により表すことができる。
【００３４】
【数９】
2007124866.tif 000011
【００３５】
また、上述した式（９）にＺＭＰの座標（σzmp，−ｈ）を代入すると、以下の式（１１）のようになる。なお、この式（１１）は、車輪軸２回りのモーメントのつり合いの式を示す。
【００３６】
【数１０】
2007124866.tif 000012
【００３７】
ここで、ＺＭＰに作用する力を図３３に図示する。図３３において、ＦＮは床反力、ＦＴは転がり摩擦力、ＦはＦＮとＦＴとの合成ベクトルを表す。なお、床反力ＦＮは実際には車輪３の接地面全体に分布するが、図３３ではＺＭＰに集約するものとして表している。この図から車輪軸２回りのモーメントのつり合いの式を表すと、以下の式（１２）のようになる。
【００３８】
【数１１】
2007124866.tif 000013
【００３９】
なお、この式（１２）に、以下の式（１３）〜（１５）を代入すると、上述した式（１１）と同じものになる。
【００４０】
【数１２】
2007124866.tif 000014
【００４１】
ベース４上の姿勢が安定するには、式（１２）においてσzmp＝０となればよい。すなわち、車輪軸トルクＴ０＝−ＦＴ＊ｈが成立すれば姿勢を保つことができる。したがって、Ｔ０＝ＦＴ＝０を満たす以下の式（１６）に示す状態変数を制御することにより、姿勢を安定させることができる。
【００４２】
【数１３】
2007124866.tif 000015
【００４３】
このとき、ｘ０、ｘ１は、機構構造により一意に定まるが、ｍ２、Ｉ２、ｘ２、ｚ２は、人間であるため不定値である。このｍ２、Ｉ２、ｘ２、ｚ２によるベース４上でのモーメントＭｔは、以下の式（１７）で与えられる。但し、ベース４は、図３４のように水平に保たれるものとする。
【００４４】
【数１４】
2007124866.tif 000016
【００４５】
ここで、負荷が人間である場合には角速度ω２が十分に小さいため、ω２≒０と近似すると、式（１８）においてｘ２とその２階微分値をゼロにするときモーメントＭｔがゼロになる。ｘ２とその２階微分値をゼロにすることは、ベース４上での負荷荷重トルクＴ１がゼロとなるようにｘ０及びｘ１を制御することと等価と考えてよい。また、この負荷荷重トルクＴ１によるモーメントＭｔは、力Ｆ２でベース４上の作用点（ｘｆ，Ｌ）に作用することと等価である。したがって、このｘｆをゼロにするｘ０、ｘ１を与えることができればＴ１＝０となり、姿勢を安定に保つ条件を満足することができる。
【００４６】
図３４に示すように、ベース４上のジャイロセンサ信号をフィードバック制御してモータトルクＴｍを与えることによりｘ０＝ｘ１を保つように制御されているとき、ｘｆ＝ｘ０となるようにモータトルクＴｍを制御することで姿勢を安定に保つことができる。
【００４７】
具体的には、誤差Ｅｆ＝ｘｆ−ｘ０とするとき、Ｅｆ＞０であればｘ０を正の方向に変位させるためにモータトルクＴｍを負として機体を前進させ、Ｅｆ＜０であればｘ０を負の方向に変位させるためにモータトルクＴｍを正として機体を後退させることで、誤差Ｅｆをゼロに収束させることができる。すなわち、Ａ０を正の定数として、Ｔｍ＝−Ａ０＊ＥｆとなるモータトルクＴｍを与えることでＥｆをゼロに収束させ、姿勢を安定に保つことができるようになる。
【００４８】
実際には、例えば図３５のようにベース４がピッチ軸回りに角度θ０だけ傾いた場合、体重Ｍの人間によりＴ１（＝Ｍτ×Ｌ）の負荷荷重トルクが発生するため、その負荷荷重トルクＴ１と逆方向の車輪軸トルクＴ０を与えるようにモータトルクＴｍを制御することで、ＺＭＰを車輪３の接地点と一致させ、姿勢を安定に保つことができるようになる。
【００４９】
ここで、ベース４上に人間が搭乗した場合、個人差はあるものの通常１〜２秒の周期で姿勢を保つために足裏に作用させる力を変動させているため、人間の体重による負荷荷重トルクＴ１は不確定に変化する。したがって、リアルタイムにバランスがとれるようなトルクをモータ１０に加算し、負荷変動に対してベース４の角度を一定に保つ必要がある。
【００５０】
そこで、上述の同軸二輪車１は、このような負荷変動をリアルタイムに相殺するために、制御装置１６内に図３６に示すような制御機構を有している。図３６において、減算器２０では、姿勢指令であるベース角度指令θrefとジャイロセンサ１３及び加速度センサ１４によって検出した現在のベース角度θ０との偏差がとられ、この偏差が姿勢制御器２１に供給される。姿勢制御器２１は、このベース角度指令θrefと現在のベース角度θ０とからモータトルク電流値Ｔgyr［Ａ］を計算する。
【００５１】
また、調整器２２では、圧力センサ１５のセンサ信号ＰＳ１、ＰＳ２、ＰＳ３、ＰＳ４を用いて負荷荷重トルクＴ１を推定し、これを相殺するための推定負荷荷重トルク電流値Ｔ１′／Ｋｍ［Ａ］を計算する。ここでＫｍはモータ定数［Ｎｍ/Ａ］である。負荷の重心座標が（Ｘｇ、Ｙｇ）であり、負荷重量がＷｇである場合、推定負荷荷重トルクＴ１′は、以下の式（１８）のように与えられる。
【００５２】
【数１５】
2007124866.tif 000017
【００５３】
そして減算器２３では、モータトルク電流値Ｔgyrと推定負荷荷重トルク電流値Ｔ１′／Ｋｍとの偏差がとられ、この偏差がモータ電流Ｉ［Ａ］としてモータ２４に与えられる。モータ２４はこのモータ電流Ｉによって回転することによりモータトルクＴｍを発生し、加算器２５では、このモータトルクＴｍと負荷荷重トルクＴ１とが加算されてベース２６に伝えられる。
【００５４】
このように、負荷荷重トルクＴ１を相殺するためのモータトルクＴｍをモータ２４に加算することにより、停止時においては負荷変動に対してベース角度を一定に保つことができる。
【００５５】
以上の制御機構により姿勢安定制御を行うことができるが、この状態で走行するには、さらに走行制御のための制御機構が必要となる。そこで、上述の同軸二輪車１は、実際には姿勢安定制御のためのモータトルクと走行制御のためのモータトルクとを独立して求める二輪構造の制御機構を有している。
【００５６】
このような二輪構造の制御機構の物理モデルを図３７に示す。なお、この図３７においても、簡単のため、車輪３は１つであるものとして説明する。図３７に示すように、ベース４にはジャイロセンサ１３、加速度センサ１４、圧力センサ１５等の各種センサが内蔵されており、その下部にはモータステータ３０、ロータリエンコーダ３１、モータロータ３２が存在し、モータロータ３２の回転は減速器３３及びジョイント３４を介して車輪３に伝達される。
【００５７】
姿勢制御／調整器４０は、姿勢指令であるベース角度指令θref、ジャイロセンサ１３及び加速度センサ１４によって検出した現在のベース角度θ０、及び圧力センサ１５のセンサ信号ＰＳ１、ＰＳ２、ＰＳ３、ＰＳ４から、上述したモータトルクＴgyr及び推定負荷荷重トルクＴ１′を計算する。また、モータ制御器４１は、走行指令であるモータロータ３２の回転位置指令Ｐrefとロータリエンコーダ３１によって検出したモータロータ３２の現在の回転位置θｒとから、走行のためのモータトルクを計算する。
【００５８】
そして、加算器４２において、モータトルクＴgyr及び推定負荷荷重トルクＴ１′と走行のためのモータトルクとが加算され、この加算値がモータロータ３２に供給される。
【００５９】
ここで、上述したベース角度指令θrefとは、搭乗者が安定に乗ることができるように、Ｘ軸方向の加速度Ａｘに応じて設定されるベース角度の目標値である。具体的には、Ｘ軸加速度Ａｘがゼロのときベース４が水平になるように、Ｘ軸加速度Ａｘが正のときベース４を前方に傾けるように、Ｘ軸加速度Ａｘが負のときベース４を後方に傾けるように、それぞれ設定される。
【００６０】
そこで、例えばＸ軸加速度Ａｘが正の場合、図３８に示すように、慣性力と重力との合成ベクトルの方向にＺＭＰが位置するようにベース４を傾けると、搭乗者は姿勢を安定に保つことができる。なお、このベース角度指令θrefは、Ｘ軸加速度Ａｘに比例して変化する。
【００６１】
制御機構のブロック図を図３９に示す。減算器５０では、姿勢指令であるベース角度指令θrefとジャイロセンサ１３（及び加速度センサ１４）によって検出した現在のベース角度θ０との偏差がとられ、この偏差が姿勢制御器５１に供給される。姿勢制御器５１は、このベース角度指令θrefと現在のベース角度θ０とからモータトルクＴgyrを計算し、このモータトルクＴgyrを加算器５４に供給する。
【００６２】
一方、減算器５２では、走行指令であるモータロータ５７の回転位置指令Ｐrefとロータリエンコーダ５８によって検出したモータロータ５７の現在の回転位置θｒとの偏差がとられ、この偏差がモータ制御器５３に供給される。モータ制御器５３は、この回転位置指令Ｐrefと現在の回転位置θｒとから、走行のためのモータトルクを計算し、このモータトルクを加算器５４に供給する。
【００６３】
また、ベース４に負荷荷重トルクＴ１が加えられると、圧力センサ１５のセンサ信号ＰＳ１、ＰＳ２、ＰＳ３、ＰＳ４が調整器５５に供給され、調整器５５は、このセンサ信号に基づいて上述した推定負荷荷重トルクＴ１′を計算する。
【００６４】
加算器５４では、姿勢制御器５１からのモータトルクＴgyrとモータ制御器５３からのモータトルクとが加算され、減算器５６では、この加算値から推定負荷荷重トルクＴ１′が減算される。これが最終的なモータトルクＴｍとなり、モータロータ５７に与えられる。加算器５９では、このモータトルクＴｍの反作用力と負荷荷重トルクＴ１とが加算され、この加算値がモータステータ／ベース６０に与えられる。
【００６５】
モータロータ５７は、モータトルクＴｍに応じて回転制御される。このモータロータ５７の回転位置θｒは、減速比Ｎ：１の減速器６１によって１／Ｎに変換され車輪３に伝達される。すなわち、車輪３の回転位置θｗは、モータロータ５７の回転位置θｒの１／Ｎである。ロータリエンコーダ５８は、このモータロータ５７の回転位置θｒを検出し、検出信号を減算器５２に供給する。
【００６６】
一方、モータステータ／ベース６０には、上述したように、モータトルクＴｍの反作用力と負荷荷重トルクＴ１との加算値が加わるが、それらが相互に打ち消されるため、モータステータ／ベース６０の傾動は抑えられる。
【００６７】
図４０は、図３９に示したブロック図における処理を、ラプラス演算子を用いて数学モデルとして表現したものである。上述の如く、姿勢制御器５１には、ベース角度指令θrefと現在のベース角度θ０との偏差が与えられ、モータ制御器５３には、モータロータ５７の回転位置指令Ｐrefと現在の回転位置θｒとの偏差が与えられる。この姿勢制御器５１及びモータ制御器５３では、例えばＰＩＤ（比例・積分・微分）演算を行うフィードバック制御により各モータトルクが計算される。
【００６８】
すなわち、Ｋｐ０、Ｋｐ１が比例ゲインとなり、Ｋｉ０、Ｋｉ１が積分ゲインとなり、Ｋｄ０、Ｋｄ１が微分ゲインとなる。これらの制御ゲインによって、モータが姿勢指令θref及び走行指令Ｐrefに対して応答する追従性が変化する。例えば、モータロータ５７は、比例ゲインＫｐ０，Ｋｐ１を小さくすると、ゆっくりとした追従遅れをもって動くようになり、比例ゲインＫｐ０、Ｋｐ１を大きくすると、高速に追従するようになる。このように、制御ゲインを変化させることにより、姿勢指令θref、走行指令Ｐrefと、実際の動きの誤差の大きさや応答時間とを調整することが可能となる。
【００６９】
また、モータロータ５７には、姿勢制御器５１からのモータトルクとモータ制御器５３からのモータトルクとの加算値から推定負荷荷重トルクＴ１′が減算されたモータトルクＴｍが与えられ、回転角度θｒだけ回転する。ここで、Ｊｒはモータロータ５７のイナーシャ（inertia）であり、Ｄｒはモータロータ５７の粘性抵抗（ダンパ係数）である。
【００７０】
一方、モータステータ／ベース６０には、上述の如くモータトルクＴｍの反作用力と負荷荷重トルクＴ１との加算値が加わるが、それらが相互に打ち消されるため傾動が抑えられる。ここで、Ｊはモータステータ／ベース６０のイナーシャであり、Ｄはモータステータ／ベース６０の粘性抵抗（ダンパ係数）である。
【００７１】
この図４０に示した数学モデルは、より詳細には例えば図４１に示すようになる。図４１に示すように、姿勢制御器７０は、ベース角度指令θrefと現在のベース角度θ０との偏差に対してＰＩＤ制御を行うことで姿勢制御のためのモータトルクＴgyrを生成し、モータ制御器７１は、モータ１０の回転位置指令Ｐrefと現在の回転位置θｒとの偏差に対してＰＩＤ制御を行うことで走行制御のためのモータトルクを生成する。
【００７２】
また、調整器７２は、圧力センサ１５のセンサ信号から推定負荷荷重トルクＴ１′を生成する。加算器７３ではこれらの各トルクが加算され、得られたモータトルクＴｍがモータ１０に与えられる。モータ１０は、このモータトルクＴｍにより回転駆動され、その回転が減速比１６：１の減速器７４によって１／１６に変換され車輪３に伝達される。
【００７３】
以上、図３７乃至図４１では、簡単のため車輪３が１つであるものとして説明したが、左右２つの車輪３Ｒ，３Ｌを有する実際の同軸二輪車１では、例えば図３９における姿勢制御器５１が左右の車輪３Ｒ，３Ｌで共通に用いられる一方で、モータ制御器５３が左右独立に設けられる。
【００７４】
この場合の制御機構のブロック図を図４２に示す。ジャイロセンサ１３からのセンサ値ωｐは例えば通過帯域が０．１〜５０Ｈｚであるバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）８０を介して角度算出器８２に送られ、加速度センサ１４からのセンサ値αｐは例えば遮断周波数が０．１Ｈｚのローパスフィルタ（ＬＰＦ）８１を介して角度算出器８２に送られる。角度算出器８２では、これらのセンサ値に基づいて現在のベース角度θ０が算出される。
【００７５】
また、減算器８３では、姿勢指令であるベース角度指令θrefと現在のベース角度θ０との偏差がとられ、この偏差が姿勢制御器８４に供給される。姿勢制御器８４は、このベース角度指令θrefと現在のベース角度θ０とから、上述したモータトルクＴgyrを計算する。
【００７６】
一方、減算器８５Ｒでは、右車輪３Ｒ用の走行指令であるモータロータ９２Ｒの回転位置指令Ｐrefrとロータリエンコーダ９３Ｒによって検出したモータロータ９２Ｒの現在の回転位置θｒとの偏差がとられ、この偏差が位置比例制御器８６Ｒに供給される。位置比例制御器８６Ｒは、この偏差に対して位置比例（Ｐ）制御を行い、比例制御結果を減算器８７Ｒに供給する。
【００７７】
また、微分器８８Ｒは、ロータリエンコーダ９３Ｒから供給されたモータロータ９２Ｒの回転位置θｒを微分し、微分結果を減算器８７Ｒに供給する。そして減算器８７Ｒでは、位置比例制御器８６Ｒからの比例制御結果と微分器８８Ｒからの微分結果との偏差がとられ、この偏差が速度比例制御器８９Ｒに供給される。速度比例制御器８９Ｒは、この偏差に対して速度比例（Ｐ）制御を行い、比例制御結果を加算器９０Ｒに供給する。
【００７８】
加算器９０Ｒでは、この比例制御結果とモータトルクＴgyrと調整器９４において圧力センサ１５のセンサ信号ＰＳ１、ＰＳ２、ＰＳ３、ＰＳ４から求めた推定負荷荷重トルクＴ１′とが加算され、加算値が電流制御アンプ９１Ｒに供給される。電流制御アンプ９１Ｒは、この加算値に基づいてモータ電流を生成し、モータロータ９２Ｒを駆動する。このモータロータ９２Ｒの回転位置は、減算器８５Ｒと共に微分器８８Ｒに供給される。左車輪３Ｌについても同様であるため、説明を省略する。
【００７９】
このように、上述の同軸二輪車１では、左右の車輪３Ｒ，３Ｌで共通な姿勢安定制御用の制御機構と、左右独立な走行制御用の制御機構とを有し、それらが独立した制御を行うため、姿勢安定制御と走行制御とを安定して両立することができる。
【００８０】
次に、上述の同軸二輪車１における速度制御について説明する。
【００８１】
上述したように、上述の同軸二輪車１では、ベース４の四隅に設けられた４つの圧力センサ１５１〜１５４のセンサ信号ＰＳ１、ＰＳ２、ＰＳ３、ＰＳ４からベース４上の負荷の重心座標（Ｘｇ，Ｙｇ）とその負荷重量Ｗｇとを検出し、負荷荷重トルクＴ１を求めているが、さらに、この重心座標（Ｘｇ，Ｙｇ）を走行する方向、速度の制御指令として用いる。具体的には、負荷重量Ｗｇが所定の値以上である場合に、重心位置のＸ座標Ｘｇに基づき速度指令Ｖｘを変化させる。
【００８２】
その様子を図４３に示す。ここで図４３において、Ｘ３からＸ１までの範囲は停止領域であり、この範囲内では指令走行速度をゼロとする。この停止領域は、車輪３の路面との接地面のＸ座標範囲とすることが好ましい。この場合、例えば負荷重量Ｗｇが大きいときや車輪３のガス圧が低いときには車輪３の路面との接地面積が大きくなるため、停止領域の範囲も大きくなる。このように停止領域（不感帯）を設けることで、搭乗者の意図しない僅かな重心移動によって機体が前進・後退することを防止することができる。
【００８３】
Ｘ座標がＸ１以上になると、前進最大速度ＳfMAX に達するまで、Ｘ座標の大きさに応じて指令速度が増加する。また、Ｘ座標がＸ２以上になると強制的に減速停止し、再び停止領域内で姿勢を安定させるまで停止する。このように、強制的に減速停止する領域を設けることで、最大速度で走行している際の搭乗者の安全性を確保することができる。
【００８４】
同様に、Ｘ座標がＸ３以下になると、後退最大速度ＳbMAXに達するまで、Ｘ座標の大きさに応じて指令速度が増加する。なお、この後退最大速度ＳbMAXは、前進最大速度ＳfMAXよりも小さいことが好ましい。また、Ｘ座標がＸ４以下になると強制的に減速停止し、再び停止領域内で姿勢を安定させるまで停止する。
【００８５】
Ｘ座標がＸ１からＸ２まで、或いはＸ３からＸ４までの間では、そのＸ座標Ｘｇに応じて、例えば以下の式（１９）により、モータ１０Ｒの回転位置指令Ｐrefrとモータ１０Ｌの回転位置指令Ｐreflとが生成される。ここで、式（１９）において、Ｇ０は正の一定ゲインであり、例えば負荷重量Ｗｇに応じて可変にすることができる。
【００８６】
【数１６】
2007124866.tif 000018
【００８７】
なお、時刻ｔ＝０での速度指令がＶｘ０であり、時刻ｔ＝ｔ１での速度指令がＶｘ１である場合、加速度を連続的に変化させ、機構的な共振振動を生じさせないように走行することが好ましい。この場合、Ｖｘ１に到達するまでの時間をΔｔとすると、時刻ｔ（０≦ｔ≦ｔ１）での走行速度指令Ｖref(ｔ)は、例えば以下の式（２０）により算出することができる。
【００８８】
【数１７】
2007124866.tif 000019
【００８９】
このとき、モータ１０の回転位置指令Ｐref(ｔ)は、式（２０）の走行速度指令Ｖref(ｔ)を積分した値となり、以下の式（２１）に示すような５次関数で与えられる。ここで、式（２１）において、Ｐref０は時刻ｔ＝０での回転位置指令である。
【００９０】
【数１８】
2007124866.tif 000020
【００９１】
また、前進・後退させるのみでなく、負荷重量Ｗｇが所定の値以上である場合、重心位置のＹ座標Ｙｇに基づき、例えば図４４に示すように旋回速度指令Ｖｒを変化させることもできる。ここで図４４において、−Ｙ１からＹ１までの範囲は停止領域であり、この範囲内では指令旋回速度をゼロとする。
【００９２】
なお、この停止領域は、原点Ｏ近傍で任意に設定することができる。このように停止領域（不感帯）を設けることで、搭乗者の意図しない僅かな重心移動によって機体が旋回することを防止することができる。Ｙ座標がＹ１以上になると、右回り最大速度ＣＷMAXに達するまで、Ｙ座標の大きさに応じて指令旋回速度が増加する。同様に、Ｙ座標が−Ｙ１以下になると、左回り最大速度ＣＣＷMAXに達するまで、Ｙ座標の大きさに応じて指令旋回速度が増加する。
【００９３】
Ｙ座標がＹ１以上又は−Ｙ１以下では、そのＹ座標Ｙｇに応じて、モータ１０Ｒの回転位置指令Ｒrefrとモータ１０Ｌの回転位置指令Ｒreflとが生成される。走行速度がゼロである場合、モータ１０Ｒの回転位置指令Ｒrefrとモータ１０Ｌの回転位置指令Ｒreflとは、例えば以下の式（２２）に示すような逆位相指令となる。ここで、式（２２）において、Ｇ１は正の一定ゲインであり、例えば負荷重量Ｗｇに応じて可変にすることができる。
【００９４】
【数１９】
2007124866.tif 000021
【００９５】
一方、走行速度がゼロでない場合、モータ１０Ｒの回転位置指令Ｒrefrとモータ１０Ｌの回転位置指令Ｒreflとは、例えば以下の式（２３）,（２４）に示すような同位相指令となる。ここで、式（２３）,（２４）において、Ｇ２は正の一定ゲインであり、例えば負荷重量Ｗｇに応じて可変にすることができる。
【００９６】
【数２０】
2007124866.tif 000022
【００９７】
ここで、不整地路面等の凹凸を有する路面や傾斜路面を走行する場合には、左右のモータ１０Ｒ，１０Ｌの回転位置指令で与えられる目標方向に走行することが困難になり、目標方向と実際の走行方向とにずれが生じる虞がある。また、左右の車輪３Ｒ，３Ｌのガス圧の違いにより車輪３の有効直径が異なる場合にも、同様に目標方向と実際の走行方向とにずれが生じる虞がある。
【００９８】
そこで、上述の同軸二輪車１では、ヨー軸回りの角速度ωyawを検出するジャイロセンサ１３により実際の走行方向を検出し、左右のモータ１０Ｒ，１０Ｌの回転速度を独立に制御することで、目標方向と実際の走行方向とのずれを解消する。
【００９９】
一例として、図４５のＡに示すように右車輪３Ｒよりも左車輪３Ｌの方の有効直径が短く、図４５のＢに示すように、直進する際にヨー軸回りのジャイロセンサ信号としてωyaw１［rad/sec］が検出される場合について説明する。このような場合、回転速度指令Ｖrefr，Ｖreflの加算平均をＶref０としたとき、以下の式（２５）、（２６）に示すように、左右のモータ１０Ｒ、１０Ｌに与える回転速度指令Ｖrefr，Ｖreflを補正することにより、機体を直進させることができる。ここで、式（２５）、（２６）において、Ｋ０は正の定数である。
【０１００】
【数２１】
2007124866.tif 000023
【０１０１】
また、図４５のＣに示すように目標方向としてＤref［rad/sec］が与えられている場合には、以下の式（２７）、（２８）に示すように左右の車輪に回転速度指令Ｖrefr、Ｖreflを与える。
【０１０２】
【数２２】
2007124866.tif 000024
【０１０３】
このようにして得られた回転速度指令Ｖrefr、Ｖreflは、それぞれ以下の式（２９）、（３０）により車輪の回転位置指令Ｐrefr、Ｐreflに変換される。ここで、式（２９）、（３０）において、ｋはサンプリング回数を表す整数であり、Ｐref(ｋ)はｋサンプリングでの回転位置指令を示す。
【０１０４】
【数２３】
2007124866.tif 000025
【０１０５】
同様に、旋回する場合についても、左右の車輪３Ｒ、３Ｌのガス圧の違いや路面状況の違いなどから、旋回速度にずれが生じる虞がある。この場合にも、ヨー軸回りの角速度ωyawを検出するジャイロセンサ１３により実際の旋回速度を検出し、左右のモータ１０Ｒ、１０Ｌの回転速度を独立に制御することで、目標となる旋回速度と実際の旋回速度とのずれを解消することができる。
【０１０６】
一例として、右車輪３Ｒよりも左車輪３Ｌの方の有効直径が短く、旋回する際にヨー軸回りのジャイロセンサ信号としてωyaw２［rad/sec］が検出されている場合について説明する。右車輪３Ｒの回転位置指令Ｒrefr及び左車輪３Ｌの回転位置指令Ｒreflを微分した信号をそれぞれＶrefr、Ｖreflとすると、旋回速度の誤差ωerrは以下の式（３１）で表される。
【０１０７】
【数２４】
2007124866.tif 000026
【０１０８】
この場合、以下の式（３２）、（３３）に示すように、左右のモータ１０Ｒ、１０Ｌに与える回転位置指令Ｒrefr、Ｒreflを補正することにより、機体を目標通りに旋回させることができる。ここで、式（３２）、（３３）において、Ｇ３は正の一定ゲインであり、例えば負荷重量Ｗｇに応じて可変にすることができる。
【０１０９】
【数２５】
2007124866.tif 000027
【０１１０】
このように、上述の同軸二輪車１では、ヨー軸回りの角速度ωyawを検出するジャイロセンサ１３により実際の走行方向、旋回速度を検出し、左右のモータ１０Ｒ、１０Ｌの回転速度を独立に制御することで、目標方向（旋回速度）と走行方向（旋回速度）とのずれを解消することができる。
【０１１１】
さらにこのような同軸二輪車１のソフトウェア構成を、図４６を用いて説明する。図４６に示すように、最下位層のハードウェア・レイヤ１５０から順に、カーネル・レイヤ１５１、オンボディ・レイヤ１５２、ネットワーク・レイヤ１５３、そして最上位層のアプリケーション・レイヤ１５４という階層構造で構成される。
【０１１２】
ハードウェア・レイヤ１５０は、回路の階層であり、例えばモータ制御回路、中央制御回路、センサ回路の制御回路等が含まれる。カーネル・レイヤ１５１は、モータサーボ演算や姿勢制御演算、走行制御演算、或いはリアルタイム走行目標値演算等の各種演算を行う階層である。このハードウェア・レイヤ１５０及びカーネル・レイヤ１５１において、基本的な姿勢安定制御と走行制御とが実現される。オンボディ・レイヤ１５２は、走行目標値演算、障害物回避軌道の生成等を行う階層である。
【０１１３】
これらの各階層は、それぞれ異なるサンプリングの制御周期で実行され、上位階層ほどその周期は長くなる。例えば最下位層のハードウェア・レイヤ１５０では、その制御周期が０．１msecと短い周期であるのに対して、カーネル・レイヤ１５１では１msec、オンボディ・レイヤ１５２では１０msecと長い周期になっている。
【０１１４】
続いて、同軸二輪車１における回路の全体構成について説明する。図４７に示すように、センサ回路２００には、圧力センサ１５１〜１５４からのセンサ信号ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３，ＰＳ４が供給される。センサ回路２００は、このセンサ信号のほか、ピッチ軸回り及びヨー軸回りの角速度を検出するジャイロセンサ１３からのセンサ信号ωｐ，ωyawと、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向のリニア加速度及びピッチ軸，ロール軸，ヨー軸回りの角加速度を検出する加速度センサ１４からのセンサ信号Ａｘ，Ａｙ，Ａｚ，αｐ，αｒ，αyawとを合わせて、制御装置１６に供給する。
【０１１５】
制御装置１６は、これらのセンサ信号に基づいて、上述したようにモータトルクＴgyrや、走行指令であるモータロータの回転位置指令Ｐrefを生成し、これらを左右のモータドライバ２０３Ｒ，２０３Ｌに供給する。モータドライバ２０３Ｒ，２０３Ｌは、このモータトルクＴgyr、モータロータの回転位置指令Ｐref等に基づいて、例えば２００Ｗのモータ１０Ｒ，１０Ｌを駆動するための最適なモータ電流を算出し、モータ１０Ｒ，１０Ｌに供給する。このモータ１０Ｒ，１０Ｌの回転位置は、ロータエンコーダ１１Ｒ，１１Ｌによって求められ、モータドライバ２０３Ｒ，２０３Ｌにフィードバックされる。
【０１１６】
サーボオン／パワースイッチ２０４は、制御装置１６及び電源スイッチ２０５と接続されており、電源スイッチ２０５からの信号は電源管理回路２０６に供給される。この電源管理回路２０６は、バッテリー２０７と接続されており、制御装置１６、音声処理回路２０１及び画像処理回路２０２に２４Ｖの制御用電源を供給するほか、モータドライバ２０３Ｒ，２０３Ｌにモータ電源を供給する。電源管理回路２０６には、モータドライバ２０３Ｒ，２０３Ｌを介してモータ１０Ｒ，１０Ｌの回生電力が供給され、電源管理回路２０６は、この回生電力を用いてバッテリー２０７を充電する。
【０１１７】
図４７に示した全体構成の詳しい内部構成を、図４８を用いて説明する。図４８に示すように、センサ回路２００には、圧力センサ１５１〜１５４からのセンサ信号ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３，ＰＳ４、ジャイロセンサ１３１，１３２からのセンサ信号ωｐ，ωyaw、加速度センサ１４からのセンサ信号Ａｘ，Ａｙ，Ａｚ，αｐ，αｒ，αyawが供給される。センサ回路２００は、圧力センサ１５からのセンサ信号ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３，ＰＳ４を例えば１０mv/Nの圧力ゲインでゲイン調整し、さらに図示しないアナログ−デジタル変換器を介してデジタル信号に変換した後、制御装置１６の重心演算部２１０に供給する。
【０１１８】
また、センサ回路２００は、ジャイロセンサ１３１，１３２からのセンサ信号ωｐ，ωyawを例えば１．６V／（rad/sec）の姿勢ゲインでゲイン調整すると共に、加速度センサ１４からのセンサ信号Ａｘ，Ａｙ，Ａｚ，αｐ，αｒ，αyawを例えば１．６V／（rad/sec２）の姿勢ゲインでゲイン調整し、さらに図示しないアナログ−デジタル変換器を介してデジタル信号に変換した後、信号前処理部２１１に供給する。この信号前処理部２１１は、入力された信号に対してデジタルフィルタを施したり、オフセット調整や姿勢位置すなわちベース角度θ０の算出をしたりする前処理を行う。
【０１１９】
重心演算部２１０は、圧力センサ１５１〜１５４からのセンサ信号ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３，ＰＳ４に基づいて前述したようにベース４上の負荷の重心位置座標（Ｘｇ、Ｙｇ）とその負荷重量Ｗｇとを計算し、この重心位置座標（Ｘｇ、Ｙｇ）及び負荷重量Ｗｇの情報を走行指令算出器２１２に供給すると共に、重心位置のＹ座標Ｙｇ及び負荷重量Ｗｇの情報を旋回指令発生器２１５に供給する。
【０１２０】
走行指令算出器２１２は、例えば図４３に示したような重心位置Ｘ座標−走行速度特性に基づき速度指令Ｖｘを生成し、回転速度指令発生器２１３は、この速度指令Ｖｘに基づいて前述した５次関数演算を行うことにより、回転速度指令Ｖref(ｔ)を生成する。回転速度指令発生器２１３は、回転位置指令Ｐref(ｔ)を回転位置指令発生器２１４、旋回指令発生器２１５、及び姿勢指令発生器２１６に供給する。
【０１２１】
旋回指令発生器２１５は、重心演算部２１０から供給された重心位置のＹ座標Ｙｇ及び負荷重量Ｗｇ、信号前処理部２１１から供給されたヨー軸回りの回転角速度ωyaw、及び回転速度指令発生器２１３から供給された回転速度指令Ｖref(ｔ)に基づいて旋回する際の位相指令、例えばＹｇ＊Ｇ１を生成し、この位相指令を回転位置指令発生器２１４に供給する。
【０１２２】
回転位置指令発生器２１４は、回転速度指令発生器２１３から供給された回転速度指令Ｖref(ｔ)を積分して回転位置指令Ｐref(ｔ)を生成し、左右のモータドライバに回転位置指令Ｐrefr(ｔ)，Ｐrefl(ｔ)を供給する。この際、回転位置指令発生器２１４は、旋回指令発生器２１５からの位相指令を考慮して回転位置指令Ｐrefr(ｔ)，Ｐrefl(ｔ)を生成する。
【０１２３】
姿勢指令発生器２１６は、回転速度指令発生器２１３から供給された回転速度指令Ｖref(ｔ)に基づき、図３８を用いて説明したように姿勢指令であるベース角度指令θrefを計算し、このベース角度指令θrefを減算器２１７に供給する。減算器２１７では、このベース角度指令θrefから信号前処理部２１１で求められた現在のベース角度θ０が減算され、偏差が姿勢制御器２１８に供給される。姿勢制御器２１８は、この偏差を元にしてＰＩＤ制御を行い、モータトルクＴgyrを求める。
【０１２４】
なお、ＰＩＤ制御を行う際には、ベース４上の負荷重量Ｗｇに応じてＰＩゲインを変更するようにしてもよい。具体的には、負荷重量Ｗｇが大きくなると比例ゲインを大きくし、積分ゲインを小さくすることが好ましい。姿勢制御部２１８は、このモータトルクＴgyrを左右のモータドライバ２０３Ｒ，２０３Ｌに供給する。
【０１２５】
右車輪３Ｒ用のモータドライバ２０３Ｒにおいて、減算器２３０Ｒでは、モータ１０Ｒ用の走行指令である回転位置指令Ｐrefrとロータリエンコーダ１１Ｒによって検出したモータ１０Ｒの現在の回転位置θｒとの偏差がとられ、この偏差が位置比例制御器２３１Ｒに供給される。位置比例制御器２３１Ｒは、この偏差に対して位置比例（Ｐ）制御を行い、比例制御結果を減算器２３２Ｒに供給する。また、微分器２３３Ｒは、ロータリエンコーダ１１Ｒから供給されたモータ１０Ｒの回転位置θｒを微分し、微分結果を減算器２３２Ｒに供給する。
【０１２６】
そして減算器２３２Ｒでは、位置比例制御器２３１Ｒからの比例制御結果と微分器２３３Ｒからの微分結果との偏差がとられ、この偏差が速度比例・積分制御器２３４Ｒに供給される。速度比例・積分制御器２３４Ｒは、この偏差に対して速度比例・積分（ＰＩ）制御を行い、比例・積分制御結果を加算器２３５Ｒに供給する。加算器２３５Ｒでは、この比例・積分制御結果とモータトルクＴgyrとが加算され、加算値が電流制御アンプ２３６Ｒに供給される。
【０１２７】
電流制御アンプ２３６Ｒは、この加算値に基づいてモータ電流を生成し、例えば２００Ｗのモータ１０Ｒを駆動する。このモータ１０Ｒの回転位置は、減算器２３０Ｒと共に微分器２３３Ｒに供給される。左車輪３Ｌについても同様であるため、説明を省略する。
【０１２８】
電源管理回路２０６は、例えば２４Ｖのバッテリー２０７と接続されており、制御装置１６に２４Ｖ，１Ａの制御用電源を供給するほか、モータドライバ２０３Ｒ，２０３Ｌにそれぞれ２４Ｖ，３０Ａのモータ電源を供給する。電源管理回路２０６には、モータドライバ２０３Ｒ，２０３Ｌを介してモータ１０Ｒ，１０Ｌの回生電力が供給され、電源管理回路２０６は、この回生電力を用いてバッテリー２０７を充電する。
【０１２９】
以上説明したように、本願発明者が先に提案した同軸二輪車１では、ジャイロセンサ１３及び加速度センサ１４を用いてベース４の角度制御を行うモータトルクＴgyrと、圧力センサ１５を用いて負荷荷重トルクを相殺するモータトルクＴ１'とを生成する、左右の車輪３Ｒ，３Ｌで共通な姿勢制御器と、圧力センサ１５を用いて走行制御を行うモータトルクを生成する、左右独立なモータ制御器とを設け、それらが独立した制御を行うため、姿勢安定制御と走行制御とを安定して両立することができる。
【０１３０】
また、本願発明者が先に提案した同軸二輪車１では、ベース４上の負荷の重心座標に応じて走行制御を行うが、車輪３の路面との接地面のＸ座標範囲、Ｙ座標範囲に停止領域（不感帯）を設けているため、搭乗者の意図しない僅かな重心移動によって機体が前進・後退・旋回することを防止することができる。
【０１３１】
さらに、本願発明者が先に提案した同軸二輪車１では、ヨー軸回りの角速度ωyawを検出するジャイロセンサ１３により実際の走行方向、旋回速度を検出し、左右のモータ１０Ｒ，１０Ｌの回転速度を独立に制御することで、目標方向（旋回速度）と走行方向（旋回速度）とのずれを解消することができる。
このような同軸二輪車による走行装置を、本願出願人は先に提案した。
【０１３２】
ところで、上述の走行装置のように搭乗者の姿勢により前進・後進する制御方法では、進行方向に障害物がある場合には、人が姿勢を変化させて障害物を回避することになる。しかしながら不意な事象の発生に対して、人の反応には応答に遅れが生じる恐れがある。このため不意なる障害物があった場合に、人の反応が応答しきれないことにより生じる問題を解決するために、前もって種々の手立てを講じる必要があった。
【０１３３】
また、車両が走破不能な高さを有する上り段差若しくは下り段差に対して、車両上の搭乗者が進入を試みた場合には、車両が不安定となる恐れがある。あるいは、段差乗り上げ若しくは段差降りの衝撃による車体の破損等の恐れがある。さらには片方の車輪が段差から落下して脱輪することにより、車体の車輪部以外の部分が地面と接触して走行不能となる。
【０１３４】
さらに路面の傾斜角度が大きい場合には、タイヤのスリップや駆動トルクの不足により車両が不安定となる恐れがある。また、路面上に存在する走破不能な障害物もしくは路面上を移動する障害物に対して車両が乗り上げ若しくは衝突することにより、同様に車両が不安定となる恐れがある。さらに衝撃による車体の破損や障害物の破損の恐れがある。
【０１３５】
このため、従来は搭乗者が走行路面に存在する段差の高さや路面傾斜角度や障害物の大きさに応じて事前に回避の必要性や進入の可否を判断しながら走行する必要があったが、視認による判断には熟練が要求され、また上述のように人の反応速度などに問題があり、これらを解決するため前もって種々の手立てを講じる必要があった。
【０１３６】
また、ある速度で走行している平行二輪の車両の車輪に減速トルクを印加して自動制御により車両を停止させようとした場合、慣性力の影響により車体が不安定となるという問題があった。また、自動制御により搭乗者の操作に対して外乱を与えることによって、車体の挙動が不安定となる問題があった。
【０１３７】
本発明はこのような問題点に鑑みて成されたものであって、本発明の目的は、路面状況を感知して進入可能水準を超える高さを有する段差の手前で搭乗者に警告表示し、車両を旋回、減速若しくは停止させて脱輪や過大な衝撃を防ぐ。さらには感知した走破不能な障害物との接触や片輪の段差落下や急傾斜路面への進入を回避するために車体進行方向及び車体速度を変更するように車輪を制御する。あるいは、警告表示または自動制御により安全に車両を減速、若しくは停止させる機構及び制御手段を有する走行装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０１３８】
このため本発明の走行装置及びその制御方法においては、筐体の前方及び／または後方を看視する看視装置を装備し、看視装置からの画像信号を解析して、その解析結果に応じて複数の車輪をそれぞれ独立に駆動して筐体自身の姿勢角度の制御を行う制御手段を設けるようにしたものであって、これによれば、走行中の段差部への乗り入れや、障害物の回避に際して良好な制御を行うことができる。
【発明の効果】
【０１３９】
請求項１の発明によれば、複数の車輪を独立に駆動する手段と、複数の車輪を連結する筐体とを有し、筐体には自身の姿勢角度を検出する手段が設けられて、検出された姿勢角度の情報に従って複数の車輪の回転数をそれぞれ設定して走行を行う走行装置であって、筐体の前方及び／または後方を看視する看視装置を装備し、看視装置からの画像信号を解析して、その解析結果に応じて複数の車輪をそれぞれ独立に駆動して筐体自身の姿勢角度の制御を行う制御手段を設けることにより、走行時の制御を良好に行うことができるものである。
【０１４０】
また、請求項２の発明によれば、制御手段は、走行しながら看視装置からの画像信号をリアルタイムに取り込み段差を認識して進入回避する制御を行うことによって、段差の予想される路面において安全な走行を行うことができるものである。
【０１４１】
請求項３の発明によれば、制御手段は、走行しながら看視装置からの画像信号をリアルタイムに取り込み段差を認識して車体を減速および旋回させ段差の乗り降りによる衝撃を緩和する制御を行うことによって、段差のある走行路面での走行も良好に行うことができるものである。
【０１４２】
請求項４の発明によれば、走行しながら看視装置からの画像信号をリアルタイムに取り込み障害物を認識して衝突回避し、衝突による衝撃を回避する制御を行うことによって、障害物の存在に対しても良好な走行を行うことができるものである。
【０１４３】
請求項５の発明によれば筐体に、走行しながら看視装置からの画像信号をリアルタイムに取り込み路面傾斜角度を認識して進入回避する制御を行うことによって、特に傾斜面等でも良好な走行を行うことができるものである。
【０１４４】
請求項６の発明によれば、平行二輪の車両を減速または停止させる際、補助車輪を路面に接地させる機構の制御を行うことによって、減速または停止時の車両の姿勢を安定に保つことができるものである。
【０１４５】
請求項７の発明によれば、補助車輪を路面に押し付けた反力により平行二輪の車両を傾斜させ、車体を減速、停止させる機構の制御を行うことによって、車両の減速または停止を良好に行うことができるものである。
【０１４６】
請求項８の発明によれば、制御手段は、平行二輪の車両に設置した可動ステップを車体に対して傾斜させることにより搭乗者の重心位置を移動させ、車体を減速、停止させる機構の制御を行うことによって、予め搭乗者の注意を喚起し、車両の減速または停止をより良好に行うことができるものである。
【０１４７】
請求項９の発明によれば、予め設定された危険の察知される路面環境と車体との間の距離及び車体の速度から危険回避の緊急度を算出し、搭乗者への警告表示を行う制御を行うことによって、搭乗者の注意を喚起し、走行を良好に行うことができるものである。
【０１４８】
請求項１０の発明によれば、制御手段は、予め設定された危険の察知される路面環境と車体との間の距離及び車体の速度から危険回避の緊急度を算出し、緊急度が低い場合には搭乗者への警告表示を実行し、緊急度が高い場合には自動制御による停止、減速、旋回動作を実行する制御を行うことによって、予め搭乗者の注意を喚起し、車両の停止、減速、旋回動作をより良好に行うことができるものである。
【０１４９】
さらに請求項１１の発明によれば、複数の車輪を独立に駆動する手段と、複数の車輪を連結する筐体とを有し、筐体には自身の姿勢角度を検出する手段が設けられて、検出された姿勢角度の情報に従って複数の車輪の回転数をそれぞれ設定して走行を行う走行装置の制御方法であって、筐体の前方及び／または後方を看視する看視装置を装備し、看視装置からの画像信号を解析して、その解析結果に応じて複数の車輪をそれぞれ独立に駆動して筐体自身の姿勢角度の制御を行うことにより、走行時の制御を良好に行うことができるものである。
【０１５０】
これによって、本発明の走行装置及びその制御方法によれば、車体に設置したカメラを用いて事前に路面状況を感知して進入可能水準を超える高さを有する段差の手前で搭乗者に警告表示し、車両を旋回、減速もしくは停止させて転倒、脱輪および過大な衝撃を防ぐ。さらには事前に感知した走破不能な障害物との接触や片輪の段差落下や急傾斜路面への進入を回避するために車体進行方向および車体速度を変更するように車輪を制御する制御装置を提供する。また、警告表示または自動制御により安全に車両を減速、もしくは停止させる機構および制御装置を提供することができる。
【０１５１】
こうして、本発明の走行装置及びその制御方法によれば、長時間の走行をしても衝突回避等の制御を人のスキルによらずに行うことにより、疲労せずに長時間の走行をすることができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０１５２】
以下、図面を参照して本発明の走行装置及びその制御方法を説明するに、図１には、本発明を適用した同軸二輪車の一実施形態の構成を示す。
【０１５３】
すなわち図１において、本発明による走行装置は、ベース３００に独立した車輪（車輪は２輪でも３輪以上でもよい）３０１、３０２が設けられると共に、ベース３００にピッチ軸、ヨー軸、ロール軸の角速度を検出するジャイロセンサ、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の重力加速度を検出する３次元加速度センサ及びベースに掛る圧力（荷重）センサを組込んだセンサモジュール３０３が装備された車両本体を有している。
【０１５４】
さらにセンサモジュール３０３の出力に応じてモータ３０４が制御され、車輪３０１、３０２が駆動されることによって、ベース３００の姿勢が制御されて車両本体が走行される。また、ベース３００には、搭乗者が握って操作を行うための操作レバー３０５と、車両本体を牽引するための牽引アーム３０６が設けられている。なお、操作レバー３０５と牽引アーム３０６は図示のように一体の構造でもよい。
【０１５５】
そしてベース３００には、路面検出器（監視装置）として、例えば２台の小型カメラ３０７、３０８を実装し、これらの小型カメラ３０７、３０８により路面の状況を測定し、その状況に応じて本体の姿勢を変化させ、搭乗者の姿勢を変えることで走行速度を落し、障害物との衝突を回避する。また、ベース３００には補助車輪３０９と、そのアクチュエータ３１０が設けられ、減速若しくは停止時に駆動される。さらにベース３００には、ＬＥＤ、ブザー等の表示装置３１１が設けられる。
【０１５６】
あるいは本発明の走行装置において、図２、図３に示すような両手持ち形の操作レバー３０５を有している場合には、図示のように左右のレバー３０５Ｌ、３０５Ｒの基部に小型カメラ３０７、３０８を実装しても良い。そして本発明では、路面をこれらの小型カメラ３０７、３０８で撮像して危険な路面環境を検出し、警告して搭乗者に対して回避動作を喚起し、かつ危険な路面環境への乗り込みを防止するように車両を自動的に制御する。このようにハンドル部に小型カメラ３０７、３０８を実装することにより、カメラ位置の高さが高くなり、より遠方にある障害物や路面の認識が可能となる。
【０１５７】
さらに図４には、補助車輪３０９と、そのアクチュエータ３１０及び表示装置３１１の具体的な実装の様子を示す。この図４において、補助車輪３０９とアクチュエータ３１０はアームによって連結されており、制御手段の指示によって必要に応じて図４のＢに示すように補助車輪３０９が路面に接地されると共に、不要のときは図４のＣに示すように補助車輪３０９は跳ね上げられて走行に支障のないようにされている。また、図４のＡに示すように表示装置３１１がベース３００の上面に設けられている。
【０１５８】
次に、図５には制御装置４００を含む全体の装置の構成を示す。図５において、小型カメラ３０７（３０８）からの映像信号が制御装置４００を形成する画像処理装置４０１に供給され、画像信号の解析によって段差の高さＨ、段差角度θｄ、走行可能路面角度θｅなどの値が求められる。また、センサモジュール３０３のジャイロセンサで検出されるピッチ角速度ωｐ、ヨー角速度ωｙ、ロール角速度ωｒ、加速度センサで検出されるＸ軸Ｇｘ、Ｙ軸Ｇｙ、Ｚ軸Ｇｚ、圧力センサで検出される右荷重Ｗ１、左荷重Ｗ２などの値が制御装置４００を形成する姿勢制御装置４０２に供給される。
【０１５９】
そして、画像処理装置４０１及び姿勢制御装置４０２で相互に情報が交換され、その結果得られる左右の車輪へのトルク制御信号がそれぞれサーボアンプ３１２、３１３を通じて左右のモータ３０４Ｒ、３０４Ｌに供給され、これらのモータ３０４Ｒ、３０４Ｌの回転が、それぞれ回転センサ３１４、３１５を通じて車輪３０１、３０２に伝達される。
【０１６０】
これによって、車両本体を走行させる車輪３０１、３０２の駆動が小型カメラ３０７（３０８）で撮影された映像信号の解析によって制御される。なおモータ３０４Ｒ、３０４Ｌの駆動電力はバッテリー３１６からサーボアンプ３１２、３１３を通じて供給される。また、バッテリー３１６の残量データが姿勢制御装置４０２に供給されて、バッテリー残量の多少に応じた制御が行われる。さらに操作レバーに連動する可変抵抗器３１７からの信号が姿勢制御装置４０２に供給される。
【０１６１】
また、回転センサ３１４、３１５で検出されたモータ３０４Ｒ、３０４Ｌの回転角度がサーボアンプ３１２、３１３に帰還されてフィードバック制御が行われると共に、この回転角度信号は姿勢制御装置４０２にも供給される。さらに、姿勢制御装置４０２からの出力信号がＬＥＤ、ブザー等の表示装置３１１に供給されると共に、アクチュエータ３１０を構成するリレー３１９及びモータ３２０に供給され、アーム３２１を通じて補助車輪３０９の出し入れが行われる。このようにして、制御装置４００を含む装置の全体が形成される。
【０１６２】
さらに図６には、姿勢制御装置４０２を中心とした車両本体の機能ブロック図を示す。図６において、姿勢制御装置４０２には、走行指令発生器４１１と姿勢制御器４１２が設けられ、走行指令発生器４１１は画像処理回路４０１からの信号に従って旋回指令ωref、走行速度指令Ｖref、停止指令Stopなどの指令信号を姿勢制御器４１２に供給する。そして、姿勢制御器４１２からの左右の車輪へのトルク制御信号がそれぞれサーボアンプ３１２、３１３に供給される。
【０１６３】
また、この図６において、小型カメラ３０７（３０８）及び画像処理回路４０１では、例えば図面の右側に示すように、走行可能路面角度θｅ、段差角度θｄ及び段差の高さＨが検出される。そしてこれらの検出された値を用いて事前に路面状況を感知し、進入可能水準を超える高さを有する段差の手前で搭乗者に警告表示し、車両を旋回、減速もしくは停止させて転倒、脱輪および過大な衝撃を防ぐように車輪３０１、３０２の制御を行うことができる。
【０１６４】
さらに以下には、本発明の走行装置及びその制御方法を実施する際の具体的な処理動作について、図７〜図１３のフローチャートを用いて説明する。
【０１６５】
まず、図７はメインルーチンであって、動作がスタートされると、ステップＳ１でイニシャライズが行われる。次にステップＳ２でサーボゲインが設定される。さらにステップＳ３でタイマ割り込み許可が行われる。そしてステップＳ４でインジケータ表示が行われて、以下このステップＳ４が繰り返される。
【０１６６】
次に図８には、タイマ割り込みルーチンとして実行されるセンサモジュールのセンサ信号処理のフローチャートを示す。この図８においては、例えば１msec間隔でルーチンが起動される。そしてステップＳ１１でジャイロセンサからの出力、及び加速度センサからの出力が検出され、これらの出力値から車両角度（ピッチ角度θｐ、ヨー角度θｙ、ロール角度θｒ）及び角速度（ピッチ角速度ωｐ、ヨー角速度ωｙ、ロール角速度ωｒ）が算出される。
【０１６７】
またステップＳ１２では、２つの圧力センサから、それぞれの荷重Ｗ１及びＷ２が検出される。そしてステップＳ１３で、これらの検出及び算出されたセンサデータが、姿勢制御装置及び画像処理装置へ送信されて、メインルーチンの割り込みの行われたステップに戻される。このようにして、センサモジュールのセンサ信号処理が行われる。
【０１６８】
図９には、同じくタイマ割り込みルーチンとして実行される段差への進入に対する画像認識走行運転のフローチャートを示す。この図９においては、例えば３３msec間隔でルーチンが起動される。そしてステップＳ２１でセンサモジュールからの車両角度（ピッチ角度θｐ、ヨー角度θｙ、ロール角度θｒ）及び角速度（ピッチ角速度ωｐ、ヨー角速度ωｙ、ロール角速度ωｒ）のセンサデータが受信される。
【０１６９】
次に、ステップＳ２２でサーボアンプから２つのモータのそれぞれの回転角θmt１及びθmt２のデータが受信される。さらに、ステップＳ２３で小型カメラからの画像処理が行われ、段差高さＨ、段差角度θｄ、危険路面点数、走行可能路面角度θｅなどの値が算出される。なお、段差高さＨは上りの場合＋、下りの場合−の値とされる。そしてステップＳ２４で段差高さＨの絶対値が、進入可能段差高さαより大きいか否か判断される。
【０１７０】
このステップＳ２４で、段差高さＨの絶対値が進入可能段差高さαより大きくないとき（ＮＯ）は、ステップＳ２５でモータ回転角θmt１及びθmt２から車体速度ｖを算出し、ステップＳ２６で車体速度ｖと段差高さＨから段差進入による衝撃Ｇを予測し、ステップＳ２７で衝撃予測値Ｇが衝撃許容値γを超えているか否か判断される。そしてステップＳ２７で衝撃予測値Ｇが衝撃許容値γを超えていないとき（ＮＯ）は、ステップＳ２８で姿勢制御指令が実行され、補助車輪は格納される。
【０１７１】
またステップＳ２７で衝撃予測値Ｇが衝撃許容値γを超えていなるとき（ＹＥＳ）は、さらにステップＳ２９で緊急度高の範囲内の危険点数が０か否か判断される。そして危険点数が０のとき（ＹＥＳ）は、ステップＳ３０で減速表示指令が実行され、補助車輪は格納される。そしてステップＳ３１で段差角度θｄ＝０か否か判断され、段差角度θｄ＝０のとき（ＹＥＳ）は、ステップＳ３２で車体旋回２と警告表示指令が実行される。
【０１７２】
さらにステップＳ２９で緊急度高の範囲内の危険点数が０でないとき（ＮＯ）は、ステップＳ３３で減速指令が実行され、補助車輪が繰り出される。そしてステップＳ３４で段差角度θｄ＝０か否か判断され、段差角度θｄ＝０のとき（ＹＥＳ）は、ステップＳ３５で車体旋回２が実行される。
【０１７３】
そしてステップＳ２８、Ｓ３２、Ｓ３５が実行されたときと、ステップＳ３１、Ｓ３４で段差角度θｄ＝０でないとき（ＮＯ）は、ステップＳ３６で姿勢制御装置への指令として姿勢制御、停止、減速、旋回１、２の指令、及び停止、減速、旋回１、２の警告表示指令が送信されて、メインルーチンの割り込みの行われたステップに戻される。
【０１７４】
また、ステップＳ２４で段差高さＨの絶対値が進入可能段差高さαより大きいとき（ＹＥＳ）は、ステップＳ４０で図１０に示す危険回避制御が行われる。この図１０の危険回避制御においては、まずステップＳ４１で緊急度高の範囲内の危険点数が０か否か判断され、危険点数が０のとき（ＹＥＳ）は、さらにステップＳ４２で走行可能路面角度θｅ＝０か否か判断される。このステップＳ４２で走行可能路面角度θｅの値がないときは、ステップＳ４３で停止警告表示指令が実行され、補助輪は格納される。
【０１７５】
また、ステップＳ４２で走行可能路面角度θｅ＝０のときは、ステップＳ４４で姿勢制御指令が実行され、補助輪は格納される。さらにステップＳ４２で走行可能路面角度θｅ≠０のときは、ステップＳ４５で車体旋回１警告表示指令が実行され、補助輪は格納される。すなわちこのステップＳ４５では、走行可能路面角度θｅの方向へ旋回するように警告表示が行われる。そしてステップＳ４３〜Ｓ４５が実行された後に図９のステップＳ３６に進められる。
【０１７６】
また、ステップＳ４１で緊急度高の範囲内の危険点数が０でないとき（ＮＯ）は、さらにステップＳ４６で走行可能路面角度θｅ＝０か否か判断される。このステップＳ４６で走行可能路面角度θｅの値がないときは、ステップＳ４７で停止指令が実行され、補助輪が繰り出される。また、ステップＳ４６で走行可能路面角度θｅ＝０のときは、ステップＳ４８で姿勢制御指令が実行され、補助輪は格納される。
【０１７７】
さらにステップＳ４６で走行可能路面角度θｅ≠０のときは、ステップＳ４９で車体旋回１指令が実行され、補助輪は格納される。すなわちこのステップＳ４９では、走行可能路面角度θｅを旋回目標角度として旋回が行われる。そしてステップＳ４７〜Ｓ４９が実行された後に図９のステップＳ３６に進められる。このようにして、段差への進入に対する画像認識走行運転の処理が行われる。
【０１７８】
図１１、同じくタイマ割り込みルーチンとして実行される障害物の回避に対する画像認識走行運転のフローチャートを示す。この図１１においては、例えば３３msec間隔でルーチンが起動される。そしてステップＳ５１でセンサモジュールからの車両角度（ピッチ角度θｐ、ヨー角度θｙ、ロール角度θｒ）及び角速度（ピッチ角速度ωｐ、ヨー角速度ωｙ、ロール角速度ωｒ）のセンサデータが受信される。
【０１７９】
次に、ステップＳ５２で小型カメラからの画像処理が行われ、障害物及び急傾斜用の画像処理として、危険路面点数、走行可能路面角度θｅなどの値が算出される。そしてステップＳ６０で図１２に示す危険回避制御が行われる。この図１２の危険回避制御においては、まずステップＳ６１で緊急度高の範囲内の危険点数が０か否か判断され、危険点数が０のとき（ＹＥＳ）は、さらにステップＳ６２で走行可能路面角度θｅ＝０か否か判断される。
【０１８０】
このステップＳ６２で走行可能路面角度θｅの値がないときは、ステップＳ６３で停止警告表示指令が実行され、補助輪は格納される。また、ステップＳ６２で走行可能路面角度θｅ＝０のときは、ステップＳ６４で姿勢制御指令が実行され、補助輪は格納される。さらにステップＳ６２で走行可能路面角度θｅ≠０のときは、ステップＳ６５で車体旋回１警告表示指令が実行され、補助輪は格納される。すなわちこのステップＳ６５では、走行可能路面角度θｅの方向へ旋回するように警告表示が行われる。
【０１８１】
また、ステップＳ６１で緊急度高の範囲内の危険点数が０でないとき（ＮＯ）は、さらにステップＳ６６で走行可能路面角度θｅ＝０か否か判断される。このステップＳ６６で走行可能路面角度θｅの値がないときは、ステップＳ６７で停止指令が実行され、補助輪が繰り出される。また、ステップＳ６６で走行可能路面角度θｅ＝０のときは、ステップＳ６８で姿勢制御指令が実行され、補助輪は格納される。
【０１８２】
さらにステップＳ６６で走行可能路面角度θｅ≠０のときは、ステップＳ６９で車体旋回１指令が実行され、補助輪は格納される。すなわちこのステップＳ６９では、走行可能路面角度θｅを旋回目標角度として旋回が行われる。そしてステップＳ６３〜Ｓ６５及びステップＳ６７〜Ｓ６９が実行された後に、図１１のステップＳ５３に進められる。
【０１８３】
さらに図１１のステップＳ５３では、姿勢制御装置への指令として姿勢制御、停止、旋回１の指令、及び停止、旋回１の警告表示指令が送信されて、メインルーチンの割り込みの行われたステップに戻される。このようにして障害物の回避に対する画像認識走行運転の処理が行われる。
【０１８４】
また、図１３には、同じくタイマ割り込みルーチンとして実行される姿勢制御のフローチャートを示す。この図１３においては、例えば１msec間隔でルーチンが起動される。そしてステップＳ７１でセンサモジュールからの車両角度（ピッチ角度θｐ、ヨー角度θｙ、ロール角度θｒ）及び角速度（ピッチ角速度ωｐ、ヨー角速度ωｙ、ロール角速度ωｒ）、荷重（Ｗ１及びＷ２）のセンサデータが受信される。
【０１８５】
次に、ステップＳ７２でサーボアンプから２つのモータのそれぞれの回転角θmt１及びθmt２のデータが受信される。さらに、ステップＳ７３でサーボゲインの変更を行い、例えば荷重（Ｗ１及びＷ２）に比例して制御ゲイン（Ｋｐ１、２、３、４、５及びＴtum）を変化させる。そしてステップＳ７４で、上述のステップＳ３６若しくはＳ５３で送信された画像処理装置からの制御指令を受信する。
【０１８６】
さらに、ステップＳ７５で受信した制御指令の中で警告表示指令の有無が判断される。ここで警告表示指令がないとき（ＮＯ）は、さらにステップＳ７６で停止指令の有無が判断され、停止指令があるとき（ＹＥＳ）はステップＳ７７でモータ速度を０にする制御が行われる。すなわち、Ｔref１＝−d（θmt１）／ｄｔ×Ｋ５、Ｔref２＝−d（θmt２）／ｄｔ×Ｋ５とされると共に、補助輪繰り出しＰＩＯが出力され、補助輪アームモータがオフされる。
【０１８７】
また、ステップＳ７６で停止指令がないとき（ＮＯ）は、さらにステップＳ７８で減速指令の有無が判断され、減速指令があるとき（ＹＥＳ）はステップＳ７９でモータブレーキ制御が行われる。ここではＴref１＝−d（θmt１）／ｄｔ×Ｋ４、Ｔref２＝−d（θmt２）／ｄｔ×Ｋ４とされると共に、補助輪繰り出しＰＩＯが出力され、補助輪アームモータがオフされる。さらにステップＳ８０で旋回２指令の有無が判断され、旋回２指令があるとき（ＹＥＳ）はステップＳ８１で旋回２制御が行われる。ここではＴref１＝Ｔref１＋Ｔtum、Ｔref２＝Ｔref２−Ｔtumとされる。
【０１８８】
さらにステップＳ７８で減速指令がないとき（ＮＯ）は、ステップＳ８２で補助輪格納ＰＩＯが出力され、補助輪アームモータがオンされ、警告表示のオフ指令が出力される。また、ステップＳ８３でモータトルクの演算が行われ、Ｔref＝Ｋp１×ωp＋Ｋp２×θpが演算される。そしてステップＳ８４で旋回１指令の有無が判断され、旋回１指令があるとき（ＹＥＳ）はステップＳ８５で旋回１制御が行われる。ここではＴref１＝Ｔref１＋θe×Ｋp３、Ｔref２＝Ｔref２−θe×Ｋp３とされる。
【０１８９】
また、ステップＳ８４で旋回１指令がないとき（ＮＯ）はステップＳ８６で姿勢制御が行われる。すなわちこの場合には、Ｔref１＝Ｋp１×ωp３＋Ｋp２×θp、Ｔref２＝Ｋp１×ωp３＋Ｋp２×θpが演算される。そして、ステップＳ７７、Ｓ８１、Ｓ８５、Ｓ８６が実行されたときと、ステップＳ８０で旋回２指令がないとき（ＮＯ）は、ステップＳ８７でサーボアンプにトルク指令Ｔref１、Ｔref２が送信されて、メインルーチンの割り込みの行われたステップに戻される。
【０１９０】
これに対して、ステップＳ７５で受信した制御指令の中に警告表示指令があるとき（ＹＥＳ）は、ステップＳ８８で補助輪格納ＰＩＯが出力され、補助輪アームモータがオンされる。さらにステップＳ８９で停止警告表示指令の有無が判断され、停止警告表示指令があるとき（ＹＥＳ）はステップＳ９０で停止警告表示がオン出力される。また、ステップＳ８９で停止警告表示指令がないとき（ＮＯ）は、さらにステップＳ９１で減速警告表示指令の有無が判断される。
【０１９１】
そしてステップＳ９１で減速警告表示指令があるとき（ＹＥＳ）はステップＳ９２で減速警告表示がオン出力される。さらに、ステップＳ９３で旋回２警告表示指令の有無が判断され、旋回２警告表示指令があるとき（ＹＥＳ）はステップＳ９４で旋回２警告表示がオン出力される。また、ステップＳ９１で減速警告表示指令がないとき（ＮＯ）は、さらにステップＳ９４で旋回１警告表示指令の有無が判断され、旋回１警告表示指令があるとき（ＹＥＳ）はステップＳ９６で旋回２警告表示がオン出力される。
【０１９２】
さらに、ステップＳ９０、Ｓ９４、Ｓ９６が実行されたときと、ステップＳ９３、Ｓ９５でそれぞれ旋回２指令、若しくは旋回１指令がないとき（ＮＯ）は、ステップＳ８６で姿勢制御が行われ、Ｔref１＝Ｋp１×ωp３＋Ｋp２×θp、Ｔref２＝Ｋp１×ωp３＋Ｋp２×θpが演算されて、ステップＳ８７でサーボアンプにトルク指令Ｔref１、Ｔref２が送信される。そしてメインルーチンの割り込みの行われたステップに戻される。このようにして姿勢制御の処理が行われる。
【０１９３】
以上のようにして、本発明の走行装置及びその制御方法によれば、車体に設置したカメラを用いて事前に路面状況を感知して進入可能水準を超える高さを有する段差の手前で搭乗者に警告表示し、車両を旋回、減速もしくは停止させて転倒、脱輪および過大な衝撃を防ぐ。さらには事前に感知した走破不能な障害物との接触や片輪の段差落下や急傾斜路面への進入を回避するために車体進行方向および車体速度を変更するように車輪を制御する制御装置を提供する。また、警告表示または自動制御により安全に車両を減速、もしくは停止させる機構および制御装置を提供することができる。
【０１９４】
さらに２個のカメラを用いることにより、図１４〜図１７に示すように平面検出器（特開２００３−２７１９７５号公報参照）を用いた路面認識が可能となり、３次元空間における障害物との正確な位置関係を算出できる。さらには段差の検出や段差高さの算出、および傾斜路面の検出や傾斜角度の算出ができる。そこでこうして算出した危険な路面環境を、図１８、図１９に示すようにVector Field Histogramによって走行路面上にマッピングする。
【０１９５】
この際、Vector Field Histogramの処理対象とする路面範囲を車体速度により変化させることにより、車体速度に応じた処理が実現される。ただし、速度が大きい場合には速度が小さい場合によりも危険路面に到達するまでの時間が短くなり、危険回避動作が間に合わない危険性があるため、処理範囲を広げる。また、速度ゼロの場合には処理範囲もゼロとする。
【０１９６】
これにより、エレベータ内のような狭い環境において車体の制御を開始した瞬間に、画像処理においては視野全体に障害物が存在するものと判断し、危険回避のための自動制御が不適切に開始されるというような事態が生じる惧れを回避することができる。さらに、図２０に示すように車体からの距離によって、処理する走行路面の範囲を二つに分割する。これにより、危険回避の緊急度が段階分けされ、警告表示による回避と車体の自動制御による回避の２パターンの処理を状況に応じて選択することが可能となる。
【０１９７】
さらに、走行路面上に存在する段差の高さ、障害物の大きさ、傾斜路面の傾斜角度が危険水準を超えた場合、回避のための制御が行われる。Vector Field Histogramによって走行可能路面角度が算出された場合、つまり，車体の前方に危険を回避可能な走行路面が存在した場合には、この角度の方向に車体を旋回させるように制御が行われる。また、走行可能路面が算出されなかった場合、つまり、車体の前方に走行可能路面が存在しない場合には、車体を停止させるように制御が行われる。
【０１９８】
また、段差、障害物、急傾斜路面等の危険な路面環境がVector Field Histogramの処理範囲の外側の範囲にのみ存在する場合、危険回避の緊急度が低いと判断され、旋回、もしくは停止の動作を搭乗者に促すような警告表示が行われる。これは、倒立振子制御による車両が前後方向に不安定な構造を有しているために、停止、減速動作を自動的に行った場合、搭乗者に加わる慣性力の作用で車両の挙動が不安定になる危険があるためである。このため、緊急度が低い場合には車体の自動制御を行わずに警告表示のみを行うことで、自然な回避動作を実現する。
【０１９９】
さらに、搭乗者が警告表示を無視した場合、危険路面が車体に接近する。この場合のように、Vector Field Histogramの処理範囲の内側の範囲に危険な路面環境が存在する場合、自動制御により危険回避動作が実現される。なお、走行可能路面角度が算出された場合は旋回、算出されなかった場合は停止する。
【０２００】
また、画像処理装置により算出された上りもしくは下り段差の高さが基準以下であっても、段差の高さと車体の移動速度から算出される、発生が予想される段差の乗り降りによる衝撃の大きさが予め定められた危険水準を超える場合、減速させるような制御が行われる。または、車体進行方向と段差境界線が直行している場合には、左右の車輪に回転数差を与え車体と段差が平行とならないように車体を旋回させる制御が行われる。このような制御により、段差の乗り降りにより車体および搭乗者に生じる衝撃が緩和される。
【０２０１】
なお、この場合も、危険回避の制御と同様、段差と車体との距離が基準よりも大きい場合には減速および旋回動作を喚起する警告表示が、基準より小さい場合には自動制御による減速制御および旋回制御がそれぞれ行われる。
【０２０２】
さらに、搭乗者に危険回避のための警告を表示する方法として、まず、音による表示が考えられる。ブザーの種類や音声により、停止、旋回、減速の各動作を指示する。また、ハンドル部に振動発生器を組み込み、この振動により各動作を指示することができる。ハンドルが２本存在し、搭乗者がそれぞれのハンドルを把持している場合には、どちらのハンドルを振動させるかによって、旋回の方向を感覚的に指示することが可能である。その他、ＬＥＤの点灯等、光による指示が可能である。
【０２０３】
こうして本発明の走行装置及びその制御方法によれば、平面検出器によりカメラ視界範囲内の平面が検出され、段差、傾斜路面、障害物等が認識される。そしてこの情報を用いて、車両が危険な路面環境を回避して走行するように、例えば図２１のように各動作が実現される。
【０２０４】
図２１のＡのような場合、車体前方に段差が検出された段階で、搭乗者に対して停止の警告が表示される。搭乗者がそのまま車体を進行させた場合には、段差手前で車体が自動的に停止する。また図２１のＢのような場合、同様に車体前方に段差が検出された段階で、搭乗者に対して旋回の警告が表示される。搭乗者がそのまま車体を進行させた場合には、車体が段差から遠ざかる方向に進行するように自動的に旋回制御を行われる。
【０２０５】
また、図２１のＣ、Ｄのような場合、まず障害物の警告表示が行われ、さらに接近した場合には自動で車体が旋回する。その後、搭乗者の操縦によってもとの経路に復帰する場合には、図２１のＣのような動作となる。また、自律走行時や、搭乗者の居眠り時のように搭乗者の操縦が行われない場合、車体は障害物回避後直線走行するが、壁を認識して自動で旋回し、図２１のＤのような動作となる。
【０２０６】
さらに図２１のＥの場合のように、障害物の大きさが大きく旋回による回避が不可能である場合、まず停止の警告表示が行われ、警告を無視してさらに接近した場合、車体は自動で減速し障害物手前で停止する。車体進行方向に急傾斜路面が存在する場合にも、同様に旋回もしくは停止のための制御が行われる。
【０２０７】
また、自動制御による減速、停止時における車体の安定化については以下のように説明される。ある速度で走行している車両に対して、自動制御によりモータトルクを与え、車体を減速もしくは停止させた場合、搭乗者および車体に生じる慣性力の影響により搭乗者および車体は進行方向に倒れこみ、場合によっては転倒する（図２２参照）。
【０２０８】
そこで、このような慣性力の作用による転倒を防止するための一つの方法として、上述の図４のような構造、及び図２３のような方法が考えられる。この場合には、制御装置は減速指令もしくは停止指令とともに補助車輪を出し、地面に接地させることで３輪接地の状態とし、車体を安定させる。
【０２０９】
それ以外の方法として、図２４及び図２５のような方法が考えられる。図２４の場合、図２３の場合のように補助車輪によって受動的に路面反力を発生させるのではなく、補助車輪を能動的に路面に押し付けることにより、路面反力によって車体を後方傾斜させる。よって、通常の姿勢制御時に搭乗者が重心を後方に移動させて車体を制動するのと同様の状態を補助車輪の押し付けによって実現することになる。このようにして、モータは通常の姿勢制御を行った状態のまま、車両を安全に停止させることができる。
【０２１０】
図２５の場合、搭乗者と車体にかかる重力と慣性力の合力ベクトルが補助車輪よりも前方を通るような場合、車体は前方に倒れこむため、減速の加速度の大きさは制限される。しかし、図２４の方法を用いた場合、車体自体が傾斜していることにより重力が搭乗者の前方への倒れこみを防止するような方向に作用するため、結果として減速の加速度の許容最大値が大きくなり、急激な減速が可能となる。
【０２１１】
図２５は、車体の垂直軸上に回転関節を有する可動ステップおよび可動ステップ用アクチュエータからなる機構を用いる。この可動ステップを車体に対して変位させることにより搭乗者の重心位置を移動させ、それに伴い車体を傾斜させる。なお、可動ステップと一緒にハンドル角度を車体に対して変位させることも可能である。この場合、より確実に搭乗者の重心を移動させることができる。
【０２１２】
このようにして、図２５の場合も図２４と同様に、通常の姿勢制御即に応じた減速トルクを発生させて車体を減速させる。また、これらの図においては、通常の姿勢制御を行っているため車体の角度に応じたトルクが発生しているが、可動ステップ部に回転角度センサを設置し、車体ピッチ角に代えてこの可動ステップ変位角度を用いることにより、車両の姿勢制御を行うことも可能である。
【０２１３】
こうして上述の走行装置によれば、複数の車輪を独立に駆動する手段と、複数の車輪を連結する筐体とを有し、筐体には自身の姿勢角度を検出する手段が設けられて、検出された姿勢角度の情報に従って複数の車輪の回転数をそれぞれ設定して走行を行う走行装置であって、筐体の前方及び／または後方を看視する看視装置を装備し、看視装置からの画像信号を解析して、その解析結果に応じて複数の車輪をそれぞれ独立に駆動して筐体自身の姿勢角度の制御を行う制御手段を設けることにより、段差部への進入及び障害物の回避を良好に行うことができる。
【０２１４】
また、上述の走行装置の制御方法によれば、複数の車輪を独立に駆動する手段と、複数の車輪を連結する筐体とを有し、筐体には自身の姿勢角度を検出する手段が設けられて、検出された姿勢角度の情報に従って複数の車輪の回転数をそれぞれ設定して走行を行う走行装置の制御方法であって、筐体の前方及び／または後方を看視する看視装置を装備し、看視装置からの画像信号を解析して、その解析結果に応じて複数の車輪をそれぞれ独立に駆動して筐体自身の姿勢角度の制御を行うことにより、段差部への進入及び障害物の回避を良好に行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【０２１５】
なお、本発明は、重力中心が車輪の軸以下にある自律走行する車両で、姿勢センサ信号をフィードバックする姿勢制御装置により機体を安定に自律する車両に人が搭乗して体重の重心を変化させて車両を前進、後進、旋回する装置、また二足自律ロボットの装置で、ブレーキやアクセルの機構を持たない移動車両、またはロボットにも適応される。さらに本発明は、上述の説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の精神を逸脱することなく種々の変形が可能とされるものである。
【図面の簡単な説明】
【０２１６】
【図１】本発明による走行装置及びその制御方法を適用した同軸二輪車の一実施形態の構成図である。
【図２】その具体例の構成図である。
【図３】２輪で走行する搬送車の具体構造を示す構成図である。
【図４】本発明による走行装置の機構構成図である。
【図５】本発明による走行装置の制御システム構成図である。
【図６】一輪車の制御構造を示す構成図である。
【図７】メインルーチンのフローチャート図である。
【図８】センサモジュールの信号処理のフローチャート図である。
【図９】画像認識走行運転のフローチャート図である。
【図１０】危険回避制御のフローチャート図である。
【図１１】画像認識走行運転のフローチャート図である。
【図１２】危険回避制御のフローチャート図である。
【図１３】姿勢制御のフローチャート図である。
【図１４】段差検出の説明のための線図である。
【図１５】段差検出の説明のための線図である。
【図１６】障害物検出の説明のための線図である。
【図１７】障害物検出の説明のための線図である。
【図１８】危険路面回避の説明のための線図である。
【図１９】危険路面回避の説明のための線図である。
【図２０】危険路面回避の説明のための線図である。
【図２１】危険路面回避の説明のための線図である。
【図２２】危険路面回避の説明のための線図である。
【図２３】危険路面回避の説明のための線図である。
【図２４】危険路面回避の説明のための線図である。
【図２５】危険路面回避の説明のための線図である。
【図２６】本願発明者が先に提案した同軸二輪車の実施形態を示す外観斜視図である。
【図２７】同軸二輪車のベースを説明するための側断面図である。
【図２８】同軸二輪車のべースに設けられた圧力センサを示す図であり、同図（Ａ）は平面図を示し、同図（Ｂ）は側面図を示す。
【図２９】同軸二輪車の重量中心と車輪軸との位置関係を示す図である。
【図３０】負荷荷重トルクとモータトルクとのつり合いを説明する図である。
【図３１】人間が搭乗した場合の姿勢制御を説明する図である。
【図３２】ベース上で姿勢を保つための力学モデルを説明する図である。
【図３３】ベース上で姿勢を保つための力学モデルを説明する図である。
【図３４】ベース上で姿勢を保つための力学モデルを説明する図である。
【図３５】同軸二輪車における力学モデルを説明する図である。
【図３６】姿勢安定制御のための制御機構を示す図である。
【図３７】車輪が１つである場合における姿勢安定制御及び走行制御のための制御機構を示す図である。
【図３８】同軸二輪車における姿勢指令を説明する図である。
【図３９】車輪が１つである場合における姿勢安定制御及び走行制御のための制御機構を示すブロック図である。
【図４０】図３９に示すブロック図を数学モデルとして示す図である。
【図４１】図４０に示す数学モデルの詳細な具体例を示す図である。
【図４２】車輪が２つである場合における姿勢安定制御及び走行制御のための制御機構を示すブロック図である。
【図４３】前進・後退する場合の走行速度制御を説明する図である。
【図４４】旋回する場合の走行速度制御を説明する図である。
【図４５】直進する際にヨー軸回りのジャイロセンサ信号が検出される場合の制御方法を説明する図である。
【図４６】同軸二輪車のソフトウェア構成を説明する図である。
【図４７】同軸二輪車１における各回路の全体構成を説明する図である。
【図４８】図４７に示す全体構成の詳しい内部構成を説明する図である。
【符号の説明】
【０２１７】
３００…ベース、３０１，３０２…車輪、３０３…センサモジュール、３０４…モータ、３０５…操作レバー、３０６…牽引アーム、３０７，３０８…小型カメラ、３０９…補助車輪、３１０…アクチュエータ、３１１…表示装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１５】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図１４】
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【図１６】
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